Systematisierung Chemie, Sek I, Gymnasium Dresden-Plauen
Bau von Stoffen
- Stoffklasse (Molekülsubstanzen, Ionensubstanzen….) - Name und Art der Teilchen
- Anziehungskräfte innerhalb / zwischen den Teilchen (Bindungen, zwischenmolekulare Kräfte)
- Formel
- Struktur der Teilchen (evtl. Skizze) räumliche Anordnung
Abstände
Beweglichkeit
Eigenschaften von Stoffen
- mit Sinnesorganen wahrnehmbar
z.B.: Farbe, Geruch, Aggregatzustand
- stoffspezifische Eigenschaften / physikalische Eigenschaften
z.B.: Dichte, Siede- und Schmelztemperatur
- experimentell bestimmbare Eigenschaften / chemische Eigenschaften
z.B.: Wasserlöslichkeit, Brennbarkeit, elektrische Leitfähigkeit
- physiologische Wirkung
z.B.: giftig, krebserregend
Teilchenarten
Teilchenart Atom Molekül Ion
Merkmale - nach außen hin
elektrisch neutral
- Anzahl der
Protonen = Anzahl
der Elektronen
- besteht aus mindestens
zwei gleichen oder
unterschiedlichen
miteinander
verbundenen Atomen
- nach außen hin
elektrisch neutral
- elektrisch geladenes Teilchen
atomarer Größenordnung
- Kation: positiv geladen
- Anion: negativ geladen
Beispiel
Name
chem. Zeichen
Chloratom
Cl
Chlormolekül
Cl2
Chlorid-Ion
Cl-
Magnesium-Ion
Mg2+
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Chemische Zeichensprache
chemische Zeichen:
- Symbol -Formel
für Atom, Element; für Moleküle, Ionen, Baueinheiten
z.B.: Na, C H2O Na+, Cl
- NaCl
Arten von Formeln:
- Summenformel: Verhältnisformel (MgCl2)/ Molekülformel (H2O)
- Strukturformel: vereinfacht CH3 - CH2 - CH3 , ausführlich C CH H
- Lewisformel: Cl
Gleichungen:
- Wortgleichung:
z.B.: Magnesium + Sauerstoff Magnesiumoxid ; exotherm
- chemische Gleichung/ Reaktionsgleichung:
z.B.: 2 Mg + O2 2MgO
Ausgangsstoff / Edukt Reaktionsprodukt / Produkt
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Merkmale chemischer Reaktionen
1. Stoffumwandlung
Bei allen chemischen Reaktionen finden Stoffumwandlungen statt. Es entstehen neue Stoffe
mit anderen Eigenschaften.
Ausgangsstoffe Reaktionsprodukte
z.B.
Magnesium + Sauerstoff Magnesiumoxid
silbrig glänzend
fest
brennbar
elektrisch leitfähig
farblos
gasförmig
fördert die Verbrennung
weiß
fest, pulvrig
nicht brennbar
2. Energieumwandlung
Bei allen chemischen Reaktionen findet die Umwandlung chemischer Energie der Stoffe in
andere Energieformen (oder umgekehrt) statt.
Bei Reaktionen, die mit Wärmeerscheinungen verbunden sind, unterscheidet man zwischen
exothermen und endothermen Reaktionen.
2.1. Exotherme Reaktion
Reaktion verläuft unter Wärmeabgabe an die Umgebung
Chemische Energie der Ausgangsstoffe wird umgewandelt in chemische Energie der
Reaktionsprodukte und Wärmeenergie
Echem, AS > Echem, RP
2.2. Endotherme Reaktion
Reaktion verläuft unter Wärmeaufnahme aus der Umgebung
Thermische Energie der Umgebung wird umgewandelt in chemische Energie der
Reaktionsprodukte
Echem, AS < Echem, RP
Energie der
Stoffe
Reaktionsverlauf
Chemische
Energie der
Reaktions-
produkte
an Umgebung abgegebene
Wärmeenergie
Echem, AS
Echem, RP
Chemische Energie der
Ausgangs-
stoffe
Energie der
Stoffe
Reaktionsverlauf
aus Umgebung
aufgenommene Wärmeenergie
Echem, RP
Echem, As Chemische
Energie der Ausgangs-
stoffe
Chemische
Energie der
Reaktions-
produkte
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3. Umbau und Veränderung der Teilchen und chemischen Bindungen
Bei allen chemischen Reaktionen kommt es zur Veränderung der Teilchen. Dabei bleibt die
Anzahl der gebundenen Teilchen der in den Ausgangsstoffen und Reaktionsprodukten
enthaltenen Elemente stets gleich. (Gesetz von der Erhaltung der Masse)
Bei allen chemischen Reaktionen werden vorhandene chemische Bindungen gelöst und neue
Bindungen geknüpft.
z.B. Kohlenstoff + Sauerstoff Kohlendioxid
C + O2 CO2
Kohlenstoff- Sauerstoff- Kohlendioxid-
atome moleküle moleküle
Atombindung Atombindung polare Atombindung
zw. Kohlenstoff- zw. Sauerstoff- zw. Kohlenstoff- und
atomen atomen Sauerstoffatomen
Beeinflussbarkeit chemischer Reaktionen
Die Reaktionsgeschwindigkeit kann erhöht werden durch:
1. Temperaturerhöhung
z.B. Förderung des „Gehens“ von Hefeteig an einem warmen Ort
2. Erhöhung der Konzentration der Ausgangsstoffe
z.B. Förderung der Verbrennung von Holzkohle beim Grillen durch Luft- (Sauerstoff-) Zufuhr
3. Verbesserung der Durchmischung der Ausgangsstoffe / Erhöhung des Zerteilungsgrades
z.B. Gefahr von Kohlestaubexplosionen
4. Katalysatoren
Ein Katalysator nimmt unter Bildung instabiler Zwischenprodukte an der Reaktion teil. Die nun
ablaufende Reaktion benötigt eine geringere Aktivierungsenergie und läuft dadurch schneller ab. Am
Ende der Reaktion liegt der Katalysator in unveränderter Form wieder vor.
z.B. Umsatz von Schadstoffen am Autoabgaskatalysator
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Stoffklassen
Metalle
Molekülsubstanzen
Ionensubstanzen
Polymere Stoffe
Art der
Teilchen
Metall-Atome,
Metall-Ionen,
frei bewegliche
Elektronen
Moleküle
Kationen, Anionen
Makromoleküle
Anordnung der
Teilchen im
Feststoff
Metallgitter
Metallkristall
Atomgitter
Atomkristall,
Molekülkristall
Ionengitter
Ionenkristall
teilweise
Atomverband
Art der
chemischen
Bindung
Metallbindung
Atombindung
(Elektronenpaarbin-
dung, kovalente
Bindung)
Ionenbindung
Atombindung
Charakteristi-
sche
Eigenschaften
Aggregatzustand:
fest
hohe Schmelz-
und
Siedetemperatur
elektrisch leitfähig
verformbar
wärmeleitfähig
Glanz
Aggregatzustand:
gasförmig / flüssig
relativ niedrige
Schmelz- und
Siedetemperatur
Aggregatzustand:
fest
sehr hohe
Schmelz- und
Siedetemperatur
elektrisch leitfähig
nur in Lösung und
in der Schmelze
spröde
Aggregatzustand:
fest
relativ hohe
Schmelz- und
Siedetemperatur,
oft zersetzlich
meist nicht
elektrisch leitfähig
plastisch/elastisch
verformbar/weich/
hart
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Metallbindung
In Metallen
Anziehungskraft zwischen Metall-Kationen
und frei beweglichen Elektronen
(Elektronengas)
Natrium
Chemische Bindungen
Atombindung
In Molekülsubstanzen (Nichtmetalle und
Verbindungen mehrerer Nichtmetalle)
Anziehungskraft zwischen Protonen im
Atomkern und gemeinsamen
Elektronenpaaren
(Elektronenpaarbindung, kovalente Bindung)
unpolar polar
Ausbildung gemeinsamer Elektronenpaare
(EP)
EP wird von beiden EP wird vom
Elementen gleich elektronegativeren
stark angezogen Element stärker
angezogen
EN = 0 EN > 0
Chlor Chlorwasserstoff
Ionenbindung
In Ionensubstanzen (Verbindungen aus
Nichtmetallen und Metallen)
Anziehungskraft zwischen Kationen und
Anionen
Natriumchlorid
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Zwischenmolekulare Kräfte
Kraft Van-der-Waals-Kräfte Dipol-Dipol-Kräfte Wasserstoffbrücken-
bindungen
Wesen Anziehungskräfte
zwischen Molekülen
Anziehungskräfte
zwischen Dipol-
Molekülen, die auf den
Wechselwirkungen
zwischen
entgegengesetzten
Teilladungen beruhen.
nötig sind:
- polare Atombindungen,
die zu Teilladungen
(Partialladungen) führen
- räumlich getrennte
Ladungsschwerpunkte
Anziehungskräfte
zwischen stark polar
gebundenen, teilweise
(partiell) positiv geladenen
Wasserstoffatomen und
freien Elektronenpaaren
eines stark
elektronegativen Elements
(F, O, N)
Stärke (allg.)
zunehmend
Stärke
abhängig von
Molekülgröße
(Molekülmasse)
EN-Differenz der Atome
und damit Polarität der
Atombindung (Größe der
Partialladungen)
EN-Werten der
Bindungspartner der
Wasserstoffatome
beeinflusste
Stoff-
eigenschaften
Siede- und
Schmelztemperatur
Aggregatzustand
Siede- und
Schmelztemperatur
Aggregatzustand
Löslichkeit in
bestimmten
Lösungsmitteln
Siede- und
Schmelztemperatur
Aggregatzustand
Löslichkeit in
bestimmten
Lösungsmitteln
Dichte
Beispiele Wasserstoff
Chlorwasserstoff
Wasser
Chlorwasserstoff
Wasser
Wasser
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Reaktionsarten
Säure-Base-Reaktion
Def.: Säure-Base-Reaktionen sind chemische Reaktionen, bei denen Wasserstoffionen H+
(Protonen) von einem Teilchen auf ein anderes übergehen.
Säure-Base-Definition
nach ARRHENIUS
Säuren sind Stoffe, die bei der
Dissoziation in wässriger Lösung
Wasserstoff-Ionen abspalten, z. B.
Basen sind Stoffe, die bei der
Dissoziation in wässriger Lösung
Hydroxid-Ionen abspalten, z. B.
HCI H+ + Cl
− NaOH Na
+ + OH
−
Neutralisation Exotherme chemische Reaktion, bei der Wasserstoff-Ionen einer sauren
Lösung mit den Hydroxid-Ionen einer basischen Lösung zu einer neutralen
Lösung reagieren.
H+ + OH
− H2O
Redoxreaktion:
Def.: Redoxreaktionen sind Reaktionen mit Elektronenübergang, bei denen eine
Oxidationsreaktion und eine Reduktionsreaktion miteinander gekoppelt sind.
Redoxreaktionen sind Reaktionen, bei denen sich die Oxidationszahlen von Elementen durch
Elektronenübergang verändern.
−1 ±0 −1 ±0
2 Br− + CI2 2 Cl
− + Br2
±0 −1
CI2 + 2 e− 2 Cl
−
−1 ±0
2 Br−
Br2 + 2 e−
Oxidation: Reaktion, bei der Elektronen abgegeben werden. (OZ ↑)
Reduktion: Reaktion, bei der Elektronen aufgenommen werden. (OZ ↓)
Oxidationsmittel: Reaktionsteilnehmer, deren Oxidationszahl durch Elektronenaufnahme kleiner
wird. Das Oxidationsmittel wird bei der Redoxreaktion reduziert.
Reduktionsmittel: Reaktionsteilnehmer, deren Oxidationszahl durch Elektronenabgabe größer wird.
Das Reduktionsmittel wird bei der Redoxreaktion oxidiert
Fällungsreaktion
Def.: Fällungsreaktionen sind chemische Reaktionen, bei denen Ionen eines schwerlöslichen
Salzes in der Lösung zusammentreten, so dass dieses Salz als Niederschlag ausfällt.
In Reaktionsgleichungen wird das Ausfallen eines Stoffes mit einem ↓ oder einem (s) für solid hinter
der Summenformel des Stoffs gekennzeichnet. Fällungsreaktionen werden oft als Nachweisreaktionen
eingesetzt. (z.B. Sulfat-, Halogenid-, Carbonat-Nachweis)
z. B.: SO42−
+ Ba2+
BaSO4↓
Ag++ Cl
− AgCl↓
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Oxidationszahlen
Angabe von Art und Anzahl der Ladungen von freien oder in Verbindungen enthaltenen Elementen,
wobei jedes einzelne Teilchen der Elemente als Ion betrachtet wird.
Die Oxidationszahlen können als arabische Ziffern mit positivem oder negativem Vorzeichen über
dem Symbol angegeben werden.
+4 -2
z.B. S 02
Festlegungen beim Bestimmen von Oxidationszahlen
Es gilt für die Festlegung z.B.
1. freie Elemente Oxidationszahl = ±0 ±0 ±0
Cl2 ; Cu
2. Moleküle von Verbindungen1 Summe aller Oxidationszahlen = 0 +4 -2
C O2
3. einfache Ionen Oxidationszahl = elektrische Ladung +1 -1
Na+
; Br -
4. zusammengesetzte Ionen Summe aller Oxidationszahlen =
elektrische Ladung
-3 +1
N H4+
5. Elemente in Verbindungen
5.1. -Metalle Oxidationszahl = immer positiv,
entspricht der „Ladung“
+2 -2
Cu 0
5.2. -Wasserstoff Oxidationszahl = +1 +1 -2
H2 O 5.3. -Sauerstoff Oxidationszahl = -2
6. elektrisch neutrale Atomgruppen
organischer Verbindungen
Summe aller Oxidationszahlen = 0 -3 +1
-C H3
1 Bei Verbindungen mit Ionenbindung wird entsprechend der Formel das Zahlenverhältnis der Ionen
zugrunde gelegt.
Redoxreaktionen: die OZ ändern sich Reaktion mit Elektronenübergang
Teilreaktion Oxidation: OZ werden größer Elektronenabgabe
Teilreaktion Reduktion: OZ werden kleiner Elektronenaufnahme
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Kohlenwasserstoffe
Alkane Alkene Alkine
Beispiel
(Name,
Summenformel,
Strukturformel)
Methan, CH4
C H
H
H
H
Ethan, C2H6
C C H
HH
H
H H
Propan, C3H8
C C C H
HHH
H
H H H
Ethen, C2H4
C CH
H
H
H
Propen, C3H6
C CCH
H
H H
H
H
Ethin, C2H2
C CH H
Propin, C3H4
C CC
H
H
H
H
Allgemeine
Summenformel
CnH2n+2
CnH2n
CnH2n-2
Strukturmerkmal
Einfachbindung
(gesättigt)
Doppelbindung
(ungesättigt)
Dreifachbindung
(ungesättigt)
Typische Reaktionen
Substitution
Eliminierung
Addition
Eliminierung
Addition
Nachweis
Bromwasser wird
entfärbt
Bromwasser wird
entfärbt
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Organische Grundreaktionen
Substitution: (lat. substituere: ersetzen)
Def.: Die Substitution ist eine chemische Reaktion, bei der zwischen den Molekülen der
Ausgangsstoffe Atome bzw. Atomgruppen ausgetauscht werden.
Ausgangsstoffe Reaktionsprodukte
A + B C + D
Hexan + Brom Monobromhexan + Bromwasserstoff
C6H14 + Br2 C6H13Br + HBr
Substitutionen sind bevorzugt bei allen Alkanen möglich.
Addition: (lat. addere = dazugeben)
Def.: Die Addition ist eine chemische Reaktion, bei der sich jeweils zwei Moleküle der
Ausgangsstoffe unter Aufspaltung von Mehrfachbindungen zu einem Molekül des
Reaktionsprodukts verbinden.
Ausgangsstoffe Reaktionsprodukte
A + B C
Ethen + Chlor Dichlorethan (Halogenierung)
C2H4 + Cl2 C2H4Cl2
Ethen + Wasserstoff Ethan (Hydrierung)
C2H4 + H2 C2H6
Eliminierung: (lat. eliminare „über die Schwelle bringen, entfernen“)
Def.: Die Eliminierung ist eine chemische Reaktion, bei der aus jeweils einem Molekül des
Ausgangsstoffs mindestens zwei Atome unter Ausbildung von Mehrfachbindungen
abgespalten werden.
Ausgangsstoffe Reaktionsprodukte
A C + D
Ethan Ethen + Wasserstoff (Dehydrierung)
C2H6 C2H4 + H2
Dichlorethan Ethen + Chlor
C2H4Cl2 C2H4 + Cl2
Substitution
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Oxidation Oxidation
Reduktion Reduktion
Organische Stoffe mit dem Element Sauerstoff im Molekül
Stoffklasse Alkanole Alkanale Alkansäuren
Strukturmerkmal Hydroxygruppe –OH
(Hydroxylgruppe)
Aldehydgruppe –CHO
Carboxylgruppe -COOH
Beispiele
CH3OH
CH3 CH2OH
CH3 CH2 CH2OH
Methanol
Ethanol
Propanol
HCHO
CH3 CHO
CH3 CH2 CHO
Methanal
(Formaldehyd)
Ethanal
(Acetaldehyd)
Propanal
HCOOH
CH3 COOH
CH3 CH2 COOH
Methansäure
(Ameisensäure)
Ethansäure
(Essigsäure)
Propansäure
Struktur-
formel
Name
Nachweis
- Fehlingsche Probe ziegelroter
Niederschlag
- Silberspiegelprobe (Tollenssche Probe)
schwarzer Niederschlag oder
Silberspiegel
- Schiffs-Reagenz (Fuchsinschweflige
Säure) Rosa- bis Violettfärbung
Unitestlösung Rotfärbung
Reaktionen - Verbrennung (Redoxreaktion)
2C3H7OH + 9O2 6CO2 + 8H2O
- Rektion mit Kupfer(II)-oxid
R-CH2OH + CuO
R-CHO + Cu + H2O
(Dehydrierung zu Alkanalen)
- Verbrennung (Redoxreaktion)
C2H5CHO + 3O2 3CO2 + 3H2O
- Reduktion anderer Stoffe, dabei
Oxidation zu Alkansäuren (siehe
Nachweise)
- Verbrennung (Redoxreaktion)
2C2H5COOH + 7O2 6CO2 + 6H2O
- Dissoziation
R-COOH R-COO- + H
+
- Reaktion mit unedlen Metallen
2 R-COOH + Mg (R-COO)2Mg + H2
- Neutralisation (Säure-Base-Reaktion)
R-COOH + NaOH R-COONa + H2O
- Reaktion mit Metalloxiden
2R-COOH + CuO (R-COO)2Cu + H2O
Oxidationsreihe CH3 CH2 OH
-1
CH3 CHO
+1
CH3 COOH
+3
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Nachweisreaktionen
Nachweismittel Beobachtung
Sauerstoff O2 Spanprobe Aufglühen
Wasserstoff H2 Knallgasprobe
Wasserstoff-Ion H+ Indikator Unitest Rotfärbung
Hydroxid-Ion OH- Indikator Unitest Blaufärbung
Kohlendioxid CO2
Calciumhydroxidlösung (Kalkwasser) oder
Bariumhydroxidlösung (Barytwasser) weißer Niederschlag
CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 ↓+ H2O
CO2 + Ba(OH)2 BaCO3 ↓+ H2O
Mehrfachbindung Brom (Bromwasser) Entfärbung
Aldehydgruppe
-CHO
Fehlingsche Probe
(Fehling I und II) ziegelroter Niederschlag
Tollens Reaktion / Silberspiegelprobe
(ammoniakalische Silbernitratlösung) Silberspiegel
Schiffs-Reagenz (Fuchsinschweflige
Säure) Rotviolettfärbung
Carboxylgruppe
-COOH
Indikator Unitest Rotfärbung
Reaktion mit unedlen Metallen Wasserstoffentstehung
Stärke Iod-Kaliumiodidlösung Dunkelviolettfärbung
Fette Fettfleckprobe durchscheinender Fleck
Eiweiße
Xanthoproteinreaktion
(Salpetersäure) Gelbfärbung
Biuretreaktion
(Kupfersulfatlösung und Natronlauge) Violettfärbung
Chlorid-Ion Cl-
Silbernitrat-Lösung weißer Niederschlag
AgNO3 + Cl- AgCl ↓+ NO3
-
Bromid-Ion Br-
Silbernitrat-Lösung käsiger Niederschlag
AgNO3 + Br- AgBr↓ + NO3
-
Iodid-Ion I-
Silbernitrat-Lösung gelber Niederschlag
AgNO3 + I- AgI ↓+ NO3
-
Sulfat-Ion SO42-
(Ansäuern mit verd. Salzsäure)
Bariumchlorid-Lösung weißer Niederschlag
BaCl2 + SO42-
BaSO4 ↓+ 2Cl-
Carbonat-Ion CO32-
mit verd. Salzsäure versetzen,
entstehendes Gas in Calcium- oder
Bariumhydroxid-Lösung einleiten
Gasentstehung
weißer Niederschlag
CO32-
+ 2H+ CO2 ↑ + H2O
- (weiter siehe CO2)